分层稀薄燃烧LPG液态喷射发动机缸内混合气形成过程的数值解析

摘要

液化石油气(LPG)因其良好的燃料特性和低污染气体排放已成为优良的汽车代用燃料之一。但目前广泛应用的采用气态LPG燃料供应方式的发动机与原汽油机相比，普遍存在动力性下降的缺点，而采用进气道多点液态LPG喷射(MPLI)可有效解决这个问题。但是目前LPG液态喷射发动机几乎都采用预混合均质燃烧方式，在部分负荷时燃料经济性并不理想，应用分层稀薄燃烧技术是提高部分负荷经济性最有力的措施之一，发动机的热效率可提高10％～15％。本文以数值模拟和纹影实验为主要的研究手段，详细考察了喷嘴内部的流动、液态LPG的喷雾发展过程、在进气歧管内的反射过程以及缸内分层混合气构造的形成过程。 液态LPG喷嘴内部的气穴现象对其喷雾的发展过程有着非常重要的影响。因此，本文首先建立了描述液态LPG燃料性质的13种物化参数的数据库并编译导入通用CFD软件Fire8.5，在验证了其解析方法可行性基础上，数值解析了液态LPG喷嘴内部在不同喷孔形状时的气穴现象，考虑了气穴生成的位置、喷孔出口处的燃料蒸汽体积分数的分布、压力和流速等，这些参数为解析喷嘴外部的LPG喷雾发展过程提供了包括喷孔初始的液滴半径、出口流速、压力等必要的初始条件。 将喷嘴内部流动过程的解析结果作为计算的初始条件，对原Fire8.5中的喷雾模型进行了修正、在蒸发方程中增加了由于燃料过热度而引起的蒸发量变化的项之后，数值解析了液态LPG的喷雾发展过程以及在进气歧管模型内的反射过程。并且与光学纹影实验结果进行了比较，验证了解析方法的可行性。在这个基础上，进一步考察了不同喷射压力时的LPG喷雾贯穿距离和索特平均直径(SMD)，可以知道减压沸腾现象发生时，离开喷孔出口的液滴的索特平均直径(SMD)迅速减小。 基于上述研究的基础上，本文提出了一种电控液态LPG喷射发动机通过采用前端向内弯曲的进气道和向内呈渐缩形布置的隔板，同时配合使用凹面弯曲活塞顶的结构实现分层稀薄燃烧的方法。对LPG发动机部分负荷下的分层混合气形成过程进行了数值模拟，并通过与实验结果对比的方式验证了所提出的数值解析方法的可行性。通过缸内速度矢量图和燃料浓度场分布图，分析了缸内滚流和混合气分层构造的形成过程。结果表明，滚流在压缩行程初期形成，浓混合气在滚流的带动下沿缸壁上行，压缩行程接近终了时，浓混合气到达火花塞附近，背离火花塞附近的区域，混合气浓度逐渐降低，从而形成分层混合气构造。此时，虽然燃烧室中心区域依然残存部分滚流，但其它区域滚流已经畸变、破碎成众多小尺度涡流。进一步研究了缸内滚流强度、燃料喷射期和燃烧室形状对混合气形成的影响，并根据数值解析的结果，确定了形成分层混合气构造最优的燃烧室形状、阀门升程曲线和燃油喷射期，为液态LPG喷射分层稀薄燃烧发动机的研发提供了可行的理论依据。

目录

文摘

英文文摘

声明

第1章绪论

1.1研究背景

1.2我国发展LPG汽车的必要性和可行性

1.3 LPG的燃料特性

1.4 LPG发动机技术及发展现状

1.5本文的研究内容

1.6LPG发动机混合气形成过程的研究现状

1.7本论文的构成

第2章LPG发动机喷雾过程数值模拟的理论基础

2.1Fire基本功能简介

2.2数学模型

2.2.1基本控制方程

2.2.2湍流模型

2.2.3喷雾模型

2.3数值计算方法

2.3.1离散化方程的构建

2.3.2控制方程的空间离散化

2.3.3采用SIMPLE法对离散方程进行求解

2.3.4松弛因子

2.4本章小结

第3章LPG喷嘴内部流动的数值模拟

3.1LPG物性参数数据库的建立

3.2喷嘴内部流动的数值模拟

3.2.1气穴现象

3.2.2计算模型及其解析方法

3.2.3计算方法可行性验证

3.3单孔喷嘴内部流动的解析

3.4双孔喷嘴内部流动

3.5本章小结

第4章LPG喷射过程数值解析及可视化实验

4.1计算模型及其解析方法

4.2网格模型、计算域和初始条件、边界条件

4.3 LPG自由喷雾的可视化实验和数值模拟

4.4 LPG喷雾在进气岐管内的反射过程的可视化实验和数值模拟

4.5本章小结

第5章缸内混合气形成过程的数值模拟

5.1分层稀薄燃烧技术

5.2实现分层稀薄燃烧的措施

5.3计算方法可行性的验证

5.3.1计算模型

5.3.2计算结果与实验结果的比较

5.4 LPG发动机部分负荷下缸内混合气分层构造形成过程的数值模拟

5.4.1数学模型

5.4.2发动机网格生成

5.4.3初始和边界条件

5.4.4计算结果分析

5.4.5进气阀升程对混合气分层构造形成的影响

5.4.6喷射时刻对缸内混合气分层构造形成的影响

5.4.7发动机转速对混合气分层构造形成的影响

5.4.8燃烧室形状对缸内混合气分层构造行成的影响

5.5 LPG发动机大负荷下缸内均匀混合气形成过程的数值模拟

5.5.1计算模型和条件

5.5.2计算结果分析

5.6本章小结

第6章总结与展望

6.1总结

6.2展望

参考文献

后 记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况